Стеклопакет - современный элемент остекления

Предпосылкой для создания изолирующих стеклопакетов послужила идея улучшения теплоизоляции стекла путем использования двух соединенных вместе стекол и конструкции изоляционного воздушного слоя, находящегося между ними, которая была запатентована в 1865 году в США. В первой половине этого столетия края изолирующих стекол соединяли друг с другом свинцовым профилем и заполняли эластичной мастикой. Изолирующие стеклопакеты редко использовали до 1950 годов, когда помимо использования металлического профиля, устанавливаемого между стеклами, начали применять метод соединения стекол при помощи сварки. Прочность изолирующих стеклопакетов при использовании любого из названных способов уплотнения была весьма плохой. Проблема была в конденсации водяного пара с внутренней стороны стекол и их разрушении.

В дальнейшем были разработаны три основные системы стеклопакетов, базирующиеся на разном способе соединения стекол: плавленые, паяные и клеенные. Уже в 60х годах выяснили, что наиболее предпочтительной по технико-экономическим показателям является та, в которой стекла склеивались между собой. Сейчас стеклопакеты изготавливаются только таким способом.

Преимущество стеклопакета перед обычным одинарным остеклением состоит, прежде всего, в более высоких энергосберегающих свойствах окна со стеклопакетом. Эти свойства стеклопакетов позволяют получить значительный народнохозяйственный и производственно-экономический эффект. Имеются данные, подтверждающие, что в 1980 г. только в ФРГ, благодаря имеющимся стеклопакетам были сэкономлены энергозатраты в размере 2,5 миллиарда ДМ. Также можно отметить повышенную звукоизоляцию помещения, получаемую при использовании стеклопакетов.

Основано энергосбережение стеклопакетов на том, что сухой воздух является хорошим теплоизолятором, поскольку его циркуляция в замкнутом пространстве незначительна. Приведенные ниже показатели теплопроводности различных материалов помогают наглядно представить это. Коэффициент теплопроводности (W/mk при 20 град.С):

Воздух 0,03
Стекло 0,80
Алюминий 240

Как видно, теплопроводность стекла практически в 27 раз выше, чем сухого воздуха. Это означает, что воздух, а также газовые смеси, которыми заполнены стеклопакеты, могут сохранять свои функции лишь до тех пор, пока в межстекольное пространство не попадает такое количество влаги, которое могло бы существенно повлиять на теплопроводность.

Сначала клееные стеклопакеты изготавливали методом одностадийной герметизации. В конце 70х годов был внедрен более передовой метод - двухстадийной герметизации. Качественное сравнение этих видов конструкций мы приводим ниже:

I Система с одним герметиком. Дистанционная рамка - очень узкий профиль.

Преимущества:

Небольшие инвестиционные затраты на оборудование
Хорошая производительность при использовании стекол одного размера - наложение герметика но канту в штабеле.
Экономия герметика при использовании узкого профиля.
Условия: для того, чтобы обеспечить заполнение зазора между стеклами, необходимо применять герметик, содержащий растворитель (содержание растворителя 1-5%).

Недостатки:

В результате механических нагрузок эластичный герметик в зазоре между стеклами подвергается значительному напряжению.
Соединение стекло-металл (адгезия к металлическим поверхностям хуже, чем к стеклу).
Прочность соединения в углах конструкции нарушается из-за малой толщины слоя герметика.
Небольшие производственные ошибки, связанные с герметиком, приводят к преждевременному повреждению конструкции.

II. Система с двумя герметиками. Дистанционная рамка - очень узкий профиль.

Усовершенствования (по сравнению с вариантом I):

Увеличение непроницаемости соединения по отношению к водяным парам, что связано с повышенной газонепроницаемостью пластичных герметиков. Пластичные герметики называют также бутиловыми, и они большей частью имеют в своей основе полиизобутилен.
Незначительные производственные ошибки, связанные с герметиками (т.е. в одном из двух герметизирующих кантов), не вызывают преждевременного повреждения стеклопакета.

III. Система с двумя герметиками. Дистанционная рамка - нормальный профиль.

Усовершенствования (но сравнению с вариантом II):

Использование нормального профиля позволяет избежать слишком большого зазора между стеклами.
Применяются герметики, не содержащие растворитель (отсутствует напряжение при сжатии).
Оседание дистанционной рамки приводит к тому, что толщина слоя герметика на ее торце составляет 3 мм. В результате образуется соединение "стекло / герметик / стекло" (надежное схватывание, т.к. склеивание предварительно очищенных поверхностей стекла не вызывает трудностей).

Из вышеизложенного видно, что наиболее качественной является система III, которая и является доминирующей в западных странах.

Теплоизоляционную способность изолирующих стеклопакетов можно улучшить, комбинируя применение селективных стекол (т.е. стекол с особым покрытием, обеспечивающим повышенную теплоизоляцию) с заполнением межстекольного пространства газом с более низким чем у воздуха коэффициентом теплопроводности, например, аргоном или криптоном. Аргон - лучший с точки зрения теплоизоляционных свойств и самый дешевый газ-наполнитель.

Заполнение газом можно применять в изолирующих стеклопакетах также для улучшения звукоизоляции. Гексафторид серы (SF6) хуже пропускает звук, чем воздух, аргон или криптон. Звукоизоляция улучшается на несколько децибелл, но теплоизоляционные свойства при этом несколько снижаются но сравнению с заполненным воздухом изолирующим стеклопакетом.

На работоспособность стеклопакетов оказывает влияние, с одной стороны, диффузия газов и, особенно, водяного пара, находящихся в окружающем воздухе, через краевое уплотнение, и, с другой стороны, диффузия газа-наполнителя, заключенного между стеклами, через краевое уплотнение в окружающий воздух. На процесс диффузии влияет температура окружающей среды (чем она выше - тем выше скорость диффузии), материал герметика, толщина уплотняющей массы и ширина зазора для уплотнителя. По результатам многочисленных опытов установили, что наилучшей с точки зрения диффузионной плотности является двухстадийная герметизация на полисульфидной массе. При подобном методе герметизации количество газа-наполнителя (аргона) снижается на 0,4 - 2 % в год, тогда как при других решениях снижение достигает нескольких процентов.

Благодаря регулярному уходу за окнами и стойким к атмосферным нагрузкам материалам, таким как, например, алюминий, используемый для наружных поверхностей, срок службы окон составляет 30 - 50 лет. У изолирующих стеклопакетов должна быть такая же долговечность, как и других оконных материалов. Изолирующие стеклопакеты должны оставаться прозрачными весь срок службы и сохранять свои первоначальные теплоизоляционные свойства достаточно хорошо. Для обеспечения долголетней надежности стеклопакетов решающими условиями являются выбор и подготовка его конструкционных материалов.

Современный стеклопакет состоит из герметично соединенных двух (однокамерный) или более (двух- и трехкамерный) стекол. Между стеклами находится дистанционная рамка (спейсер), обеспечивающая жесткость крепления и одновременно служащая емкостью для осушителя (абсорбента, чья задача состоит в поглощении влаги, попавшей в межстекольное пространство в ходе производственного процесса). Герметичность стеклопакета обеспечивается двумя уплотнителями (герметиками): первый наносится в зазор между рамкой и стеклами, гарантируя их плотное прилегание друг к другу, вторым соединительный кант заливается снаружи. Из вышесказанного можно сделать вывод, что качество и надежность стеклопакета зависят от стекла, дистанционной рамки, осушителя и герметиков.

1. Дистанционные рамки.

В качестве материала для них оправдали себя алюминий и сталь. Хорошее схватывание герметиков с профилем может быть обеспечено лишь при наличии сухой, свободной от загрязнений и химический активной непроврежденной поверхности металла.

Угловые соединения являются узким местом дистанционных рамок. С их помощью должна достигаться механическая стабильность соединений. Углы должны быть хорошо герметизированы, чтобы в готовые стеклопакеты не могли проникнуть газы или пары воды.

Виды угловых соединений:

Сварное угловое соединение (не требуется специального уголка)
Запаянное угловое соединение (с металлическим уголком)
Сборное угловое соединение (с металлическим или пластмассовым уголком)
Чаще всего применяются сборные угловые соединения. Для того, чтобы соединение имело хорошее диффузионное сопротивление, соединяющие уголки должны иметь достаточно глубокие выемки, которые будут заполняться герметиком. Углы конструкции можно герметизировать при помощи первичного герметика (бутила). Для герметизации можно использовать также вторичный герметик (полисульфид). Процесс герметизации происходит автоматически при окончательной герметизации стеклопакета. Дополнительной надежности можно добиться нанесением достаточного слоя герметика на торец дистанционной рамки.

Системы, в которых дистанционная рамка гнется из цельного куска, предназначены для того, чтобы исключить возникновение подобных "узких" мест. Тем не менее, безупречное нанесение первичного герметика является очень важным условием для получения качественного изделия.

2. Стекло

Поверхность стекла обычно бывает загрязнена. Грязь может быть органического происхождения: масла или жиры, или неорганического: силикатная пыль и т.д. Обычно стекла моют на специальном оборудовании. Важно, чтобы оно включало в себя зону предварительной мойки и отделенную от нее зону промывки. Температура воды должна быть минимум +40°С.

Если в стеклопакетах применяются стекла с нанесенным покрытием, то в зависимости от его типа бывает необходимым удалить покрытие с кромки стекла с тем, чтобы обеспечить хорошее схватывание герметика со стеклом. Это достигается шлифовкой, обжигом или обработкой струёй песка. При этом важно, чтобы покрытие было удалено полностью и без остатков, и собственно поверхность стекла не была бы пассивирована.

3. Осушители

В качестве осушителей хорошо зарекомендовали себя молекулярные сита, силикагель и смеси обоих продуктов. Различные по химическому строению осушители имеют также различную абсорбционную способность. Эти различия проявляются в зависимости от температуры, давления и содержания влаги в осушаемых газах.

Используя наиболее употребительные тины молекулярных сит, можно получить очень низкие температуры точки росы (большей частью -60 град.С). Использование силикагеля не дает таких низких значений температуры точки росы, в среднем около -45 град.С. Исключая отдельные особые области применения, эти различия в температуре точки росы не являются решающими для оценки качества осушителей.

4. Герметики для стеклопакетов

Качество соединительного канта и, как следствие, долговечность стеклопакетов, коренным образом зависят от вида применяемого герметика. Как уже упоминалось, качественные стеклопакеты изготавливаются но принципу двойной герметизации. Первичный герметик является термопластом и известен под именем бутиловый герметик. Он выполняет в производственном процессе роль фиксатора и оказывает существенное влияние на повышение газонепроницаемости (пары воды, газ-наполнитель). Из-за своей небольшой прочности и вида соединения, образующегося при склеивании, первичный герметик не влияет на механическую прочность кромочного соединения.

Эту задачу должны решать продукты. применяющиеся для вторичной герметизации. Высокая прочность материала и другой механизм образования клеевого соединения, т.е. образование химических связей между рабочими материалами "стекло - металл", отвечают этим требованиям. Оправдало себя и применение эластичных продуктов на базе полисульфидов. У них отсутствуют недостатки в области переработки, медицинских аспектов и физико-химических свойств продукта, есть информация, что полисульфидные герметики могут сохранять свои свойства в течение 25 лет. Предлагаемые альтернативные продукты не отличаются заметными технико-экономическими преимуществами. Для герметизации примерно 95% всех производящихся в Европе стеклопакетов используют эти материалы, известные под торговой маркой Thiokol.

По материалам журналов "Стеклостроитель" и "Стекло и бизнес"